CN111624708B - 一种cmos工艺兼容的纵向光学耦合系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统及其方法，应用于微电子集成技术领域，包括：衬底；隐埋氧化物层，隐埋氧化物层形成在衬底上；第一波导，第一波导形成在隐埋氧化物层上；第一波导上设置有光源器件和纵向光波导；第二光波导，第二光波导形成在激光器件和纵向光波导上；第二光波导与激光器件为绝热倒锥设置。本发明利用传统微电子领域的CMOS工艺实现高效率纵向光学耦合结构的制备，通过巧妙地设计耦合结构、波导尺寸及光栅参数等，可实现理论上90％以上的耦合效率；可实现片上光源的直接耦合将极大程度提高光芯片的集成度并降低生产成本，从而大大推进光链路的发展。
Description
技术领域
本发明涉及微电子集成技术领域，更具体的说是涉及一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统及其方法。
背景技术
现有的光源混合集成技术主要有三种：(1)倒装焊(FlipChip)技术，将激光器通过金属焊接到衬底上并与波导实现耦合；(2)晶圆键合(Wafer Bonding)技术，通过等离子体辅助方式对需要键合的表面进行处理，在低温下实现光源与SOI衬底的键合并和衬底上的波导实现有效耦合；(3)微光学平台集成技术，利用微光学(如微透镜、反光镜等)实现激光束的聚焦与控制，实现光源器件到波导的耦合。上述这些集成方式虽然可实现光源的集成，但是集成度均不高，且过程复杂成本高，难以满足日益增长的数据处理速度的需求。
外延生长的激光器有望完全和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-oxide-semiconductor,CMOS)工艺相兼容，可实现大规模生产及单片集成。实现片上光源的直接耦合将极大程度提高光芯片的集成度并降低生产成本，从而大大推进光链路的发展。
为解决这些问题，实现片上光源的直接耦合将极大程度提高光芯片的集成度并降低生产成本，从而大大推进光链路的发展，提出一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统及其方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统及其方法，
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统，包括：
衬底；
隐埋氧化物层，所述隐埋氧化物层形成在所述衬底上；
第一波导，所述第一波导形成在所述隐埋氧化物层上；所述第一波导上设置有光源器件和纵向光波导；
第二光波导，所述第二光波导形成在所述激光器件和所述纵向光波导上；所述第二光波导与所述激光器件为绝热倒锥设置。
优选的，所述纵向光波导包括：第一纵向光波导层、第二纵向光波导层和第三纵向光波导层，所述第二纵向光波导层位于所述第一纵向光波导层和所述第三纵向光波导层之间。
优选的，所述第一纵向光波导层和所述第三纵向光波导层折射率相同，所述第二纵向光波导层折射率大于所述第一纵向光波导层和所述第三纵向光波导层折射率。
优选的，所述第一波导设置有第一光栅和第二光栅，所述第一光栅位于所述第一纵向光波导层下方，所述第二光栅位于所述第二纵向光波导层下方。
优选的，所述第二光波导设置有第三光栅，所述第三光栅位于所述第二纵向光波导层上方。
优选的，所述第一光栅31、所述第二光栅32和所述第三光栅61设置有折射材料沉积层。
一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合方法，采用CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统具体包括如下步骤：
S1、所述光源器件发出光，通过倏逝波耦合方式进入所述第二波导；
S2、所述第二波导内的光传输至所述第三光栅处，发生衍射并耦合至所述纵向光波导内；
S3、所述纵向光波导内的光传输至所述第二光栅处，再次发生衍射并耦合至所述第一波导内。
优选的，所述步骤S3还包括：S31、所述第一光栅配合所述第二光栅将光耦合到所述第一波导中。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
利用传统微电子领域的CMOS工艺实现高效率纵向光学耦合结构的制备，通过巧妙地设计耦合结构、波导尺寸及光栅参数等，可实现理论上90％以上的耦合效率；可实现片上光源的直接耦合将极大程度提高光芯片的集成度并降低生产成本，从而大大推进光链路的发展。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明激光器件与第二光波导部分俯视图；
在图1-2中：
1-衬底，2-隐埋氧化物层，3-第一波导层，31-第一光栅，32-第二光栅，4-光源器件，5-纵向光波导，51-第一纵向光波导，52-第二纵向光波导，53-第三纵向光波导，6-第二波导，61-第三光栅。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1-2所示，本发明实施例公开了一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统，包括：
衬底1；
隐埋氧化物层2，隐埋氧化物层2形成在衬底1上；
第一波导3，第一波导3形成在隐埋氧化物层2上；第一波导3上设置有光源器件4和纵向光波导5；
第二光波导6，第二光波导6形成在激光器件4和纵向光波导5上；第二光波导6与激光器件4为绝热倒锥设置。
衬底1可选用硅(Si)，隐埋氧化物层2可选用二氧化硅(SiO2)，第一波导3可选用(Si)，光源器件(4)可为量子点激光器。
纵向光波导5包括：第一纵向光波导层51、第二纵向光波导层52和第三纵向光波导层53，第二纵向光波导层52位于第一纵向光波导层51和第三纵向光波导层53之间。
第一纵向光波导层51和第三纵向光波导层53折射率相同，第二纵向光波导层52折射率大于第一纵向光波导层51和第三纵向光波导层53折射率。
第一波导3设置有第一光栅31和第二光栅32，第一光栅31位于第一纵向光波导层51下方，第二光栅32位于第二纵向光波导层52下方。
第一光栅31和第二光栅32的尺寸及折射率参数可根据设计需要进行设置；第一光栅31和第二光栅32设置有折射材料沉积层，通过折射材料沉积层来实现折射率参数的调节。
第二光波导6设置有第三光栅61，第三光栅61位于所述第二纵向光波导层52上方；第三光栅61设置有折射材料沉积层。
实施例2
一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合方法，采用CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统具体包括如下步骤：
S1、光源器件4发出光，通过倏逝波耦合方式进入第二波导6；
S2、第二波导6内的光传输至第三光栅61处，发生衍射并耦合至纵向光波导5内；
S3、纵向光波导5内的光传输至第二光栅32处，再次发生衍射并耦合至第一波导(3)内。
步骤S3还包括：S31、第一光栅31配合第二光栅32将光耦合到第一波导3中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统，其特征在于，包括：
衬底(1)；
隐埋氧化物层(2)，所述隐埋氧化物层(2)形成在所述衬底(1)上；
第一波导(3)，所述第一波导(3)形成在所述隐埋氧化物层(2)上；所述第一波导(3)上设置有光源器件(4)和纵向光波导(5)；
第二波导(6)，所述第二波导(6)形成在所述光源器件(4)和所述纵向光波导(5)上；所述第二波导(6)与所述光源器件(4)为绝热倒锥设置；
所述纵向光波导(5)包括：第一纵向光波导层(51)、第二纵向光波导层(52)和第三纵向光波导层(53)，所述第二纵向光波导层(52)位于所述第一纵向光波导层(51)和所述第三纵向光波导层(53)之间；
所述第一波导(3)设置有第一光栅(31)和第二光栅(32)，所述第一光栅(31)位于所述第一纵向光波导层(51)下方，所述第二光栅(32)位于所述第二纵向光波导层(52)下方；
所述第二波导(6)设置有第三光栅(61)，所述第三光栅(61)位于所述第二纵向光波导层(52)上方。
2.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统，其特征在于，所述第一纵向光波导层(51)和所述第三纵向光波导层(53)折射率相同，所述第二纵向光波导层(52)折射率大于所述第一纵向光波导层(51)和所述第三纵向光波导层(53)折射率。
3.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统，其特征在于，所述第一光栅(31)、所述第二光栅(32)和所述第三光栅(61)设置有折射材料沉积层。
4.一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的CMOS工艺兼容的纵向光学耦合系统，具体包括如下步骤：
S1、所述光源器件(4)发出光，通过倏逝波耦合方式进入所述第二波导(6)；
S2、所述第二波导(6)内的光传输至所述第三光栅(61)处，发生衍射并耦合至所述纵向光波导(5)内；
S3、所述纵向光波导(5)内的光传输至所述第二光栅(32)处，再次发生衍射并耦合至所述第一波导(3)内。
5.根据权利要求4所述的一种CMOS工艺兼容的纵向光学耦合方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：S31、所述第一光栅(31)配合所述第二光栅(32)将光耦合到所述第一波导(3)中。
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